来源：nature
撰文：Chelsea Wald
翻译：叶子
特殊的马桶系统可以从尿液中回收氮和其它营养物质，用于生产肥料等产品。
在瑞典最大的岛屿哥特兰岛上，淡水资源相当匮乏，而与此同时，岛民们还要和大量农业和污水系统造成的污染抗争，这些污染导致周围波罗的海中的藻类疯狂生长，致使鱼类大量死亡，还会影响人类身体健康。
为了解决这场环境挑战，哥特兰岛将希望放在了一种看似与此毫不相关的物质上——人类尿液。
自2021年起，一支研究人员团队开始与当地一家移动式厕所租赁公司展开合作，希望能在三年多的时间里，通过在夏天旅游旺季投放在各处的免冲水小便池和专用马桶收集至少7万升尿液。该团队由瑞典农业科学大学的研究人员组成，他们成立了一家名叫Sanitation360的公司。通过其自行研发的一套流程，研究人员可以使尿液干燥脱水、形成类似混凝土的块状物，再将其敲碎成粉末状，压成一颗颗适用于标准耕作设备的肥料颗粒。当地农民可以利用这种肥料种植大麦，大麦收割后会被送往酿酒厂、制成麦芽啤酒，而啤酒被人们喝掉后，这些肥料又会进入新一轮的循环。
这支研究团队旨在让尿液回收利用不再停留在概念阶段，而是真正能在大规模上变为现实，希望能建立一套适用于全球各地的回收模式，“无论何人、无论何地，均可进行操作。”
除了哥特兰岛开展的这一项目外，全球各地正在掀起一股相似的浪潮，致力于将尿液从污水中分离出来、进行回收利用，如制成肥料等。美国、澳大利亚、瑞士、埃塞俄比亚和南非等众多国家都在研究粪尿分离技术。在美国俄勒冈州和荷兰，已经有一些写字楼的免冲洗小便池与位于地下室的处理系统相连。巴黎正计划在十四区一座住有1000人的“生态公寓”安装粪尿分离厕所。此外，欧空局还准备在位于巴黎的总部安装80套粪尿分离厕所，本年内启用。粪尿分离技术的支持者们指出，这类装置适用于多种场合，比如军事哨所、难民营、繁华的市中心、以及贫民窟等等。
科学家表示，若粪尿分离厕所在全球得到大规模部署，将产生巨大的环境与公共卫生效益。尿液富含多种营养元素，与其让它们污染水体，不如用来给作物施肥、或者用作工业原料。
据估算，人类产生的尿液足以取代全球四分之一的氮肥和磷肥。尿液中还含有钾和多种微量营养元素。不仅如此，免冲水设计还能节省大量水资源，并且减少对已不堪重负的污水系统造成的压力。
该领域专家指出，随着厕所技术与尿液处理策略的进步，粪尿分流的多种技术要素不久便可准备好大规模投放。但如厕毕竟是生活最基本的方面之一，要想对此进行大幅改造，必将面临许多阻碍。学界和业界都有大量问题需要解决，比如改进粪尿分流厕所的设计、降低尿液处理难度、将尿液转化为有价值的产品等等。这些可能需要将单个马桶、或整栋大楼的地下装置与化学处理系统相连，同时还要对浓缩或固化的产物进行定期收集和维养。另外还有社会接受度的问题，有些文化对人类排泄物有所禁忌，人们对工业废水和食品系统的传统看法更是根深蒂固、难以改变。
但考虑到农业与工业的能源、水源及原材料短缺问题，粪尿分流和再利用的重要性将愈加凸显。“事实上，尿液本身就是一种很有价值的物质。”
图为用不同肥料培植的大麦，右侧的大麦使用了尿液，中间的大麦未使用任何肥料，最左侧的大麦使用了矿物无机肥料。
混合废物
尿液曾一度是种相当值钱的商品。在过去，有些社会会利用尿液给庄稼施肥、鞣革、洗衣、制造火药等等。但到了19世纪末和20世纪初，现代化的中央污水管理模式问世，并逐渐传播到了全世界，导致尿液从我们的生活中逐渐消失。
在该模式下，冲水马桶可以将尿液、粪便和厕纸迅速冲入污水系统中，与其它生活污水、工业污水、以及雨水混杂在一起。集中化污水处理厂会利用微生物进行污水净化，这一过程耗费的能量十分巨大。
经过处理的废水中，仍然含有大量氮元素、其它营养物质和各种污染物。并且全球约57%的人口都没有使用集中式污水系统的条件。
科学家目前仍在寻找使集中式污水系统更可持续化、污染更低的方法。但从上世纪90年代开始，一些研究人员开始追求更根本性的变革。末端治理技术再怎么进步，也不过是在旧方法的基础上进行演化而已。相比之下，粪尿分离技术则是一场“巨大变革”。研究人员建立了污水管理系统模型，假设这些系统使用了粪尿分离技术，并且用从尿液中回收的营养物质代替化肥。根据该模型的预测，在利用粪尿分离技术的社区中，温室气体总排放量最多可降低47%，能耗最多可减少41%，淡水使用量减少近半，废水造成的营养物污染也可降低64%，具体取决于使用了哪些技术。
不过到目前为止，这一理念仍然很小众化，应用规模都很有限，比如北欧生态村、农村户外厕所、以及低收入地区发展项目等等。
粪尿分离技术之所以难以推广，原因主要处在马桶本身。粪尿分离马桶最早于90年代和21世纪初开始售卖，大多数都在马桶前方设计了一个小尿盆，使用时需要仔细“瞄准”才行。有些使用了传输带的设计，尿液可以流走，粪便则被输送到堆肥库中。还有一些则利用传感器操控阀门，让尿液与粪便从不同的出口流出。
但在试点项目中，人们并不太接受这些新式马桶，都抱怨这些马桶很难用、气味很难闻、而且故障率高。
这些问题给粪尿分离马桶的首次大规模投用造成了许多麻烦。21世纪初，南非种族隔离政策结束后，德班市的城市规模急剧扩大，当局不得不对部分贫穷的农村地区承担起责任，这些地区没有厕所基础设施，供水也十分缺乏。2000年8月，该地爆发了一场霍乱疫情。当局迅速开展了几项满足资金和实际要求的卫生项目，包括安装80000座粪尿分离厕所，其中大多数直至今日仍在使用。尿液可以流到厕所下方的土壤中，粪便则落入专门的储粪池。自2016年以来，该市会每隔五年清理一次储粪池。
奥迪里指出，该项目为该地区创造了更安全的卫生环境。然而社会科学研究发现，这一项目存在许多问题。虽然人们也觉得有这些厕所总比没有好，但研究发现，使用者大多都不喜欢它们。许多厕所的用料欠佳，使用起来十分麻烦。此外，虽然这些厕所理论上应当具有防臭功能，但尿液往往会和粪便一起流入储粪池，散发出强烈的臭味，上厕所时简直“无法正常呼吸”。不仅如此，尿液大多都没有得到回收利用。
这款马桶可以将尿液与粪便分开，再将尿液脱水处理成粉末状。
说到底，当年的这一决策主要是出于公共卫生考虑，并未将人们的偏好考虑在内。2017年的一项研究发现，德班市95%的受访者都更喜欢富有的白人们使用的传统、无臭的抽水马桶，并表示一旦条件允许、就会自己安装这种马桶。很长时间以来，马桶在南非一直是种族隔离的象征之一。
不过，一种新设计或能为粪尿分离技术带来突破。2017年，奥地利设计公司EOOS发布了新产品Urine Trap，使用时无需仔细瞄准，粪尿分离功能设计得也十分隐蔽。
该产品利用了水倾向于附着在物体表面的现象（又名“茶壶效应”，因为在倒茶时，茶水总会沿着壶嘴下方流下来），引导尿液沿着马桶内侧前方、流入一个单独的洞中。无论是高端陶瓷马桶还是塑料蹲便，都能用上这项设计。欧洲市场已经开始生产这款产品了，取名为“save！”，不过价格可不便宜。
南方夸祖鲁纳塔尔大学和德班市也在测试不同版本的Urine Trap马桶，不过这次的研究重点主要放在使用者身上，人们应当会欣然接受这种新式粪尿分离马桶，因为它们没有难闻的气味，使用起来也很便捷。不过男性必须学会坐下来上厕所，这将是一项巨大的文化变革。但如果这种马桶在高收入地区得到了广泛使用和接受，将对大范围推广起到很大帮助，这同时需要充分考虑到种族因素，防止人们认为这种马桶是专为黑人或穷人研发的。
尿液的用途
粪尿分离只是革新卫生技术的第一步。接下来，我们还要想好这些尿液的用途。在农村地区，人们可以将尿液储存起来、杀死其中的病原体，然后用来施肥。世卫组织已经为这种做法发布了相关指南。
但城市中就要麻烦一些，毕竟尿量巨大。我们不可能铺设一套专门的污水管道系统、将尿液统一输送到某个集中的地点，而且尿95%的成分都是水，因此储存和运输成本都很高。所以研究人员更倾向于在马桶或建筑物中就对尿液进行脱水、浓缩或营养成分提取，直接将水分离出去。
但这一点实现起来并不容易。从工程角度来看，尿液是种很麻烦的溶液。除了水之外，尿液最主要的成分是尿素。这是一种富氮化合物，是身体代谢蛋白质的副产物。尿素本身用处很大，最常见的氮肥之一就是合成尿素。但尿素又很棘手，一旦与水结合就会变成氨气，尿液标志性的气味正是由此而来。假如不加以处理和控制，这些氨气便会污染空气，还会导致宝贵的氮白白浪费。在尿素酶的催化下，尿素水解反应只需几毫秒便可完成，因此尿素酶是目前已知效率最高的酶之一。
有些处理方法会任由尿素水解反应发生。瑞士联邦水科学与技术研究所发明了一套先进的处理流程，可以将经过水解的尿液转化为浓度很高的营养物质溶液。首先，反应池中的微生物会将具有挥发性的氨转化为无挥发性的硝酸铵（这也是一种常见氮肥），然后利用蒸馏器将液体浓缩。该研究所子公司Vuna正在推动这套处理系统的商业化。此外，该方法的产物“Aurin”已经通过了瑞士政府的批准，可用于培育农作物，在全球尚属首例。
其它方法则试图通过快速提高或降低尿液酸碱度来制止水解反应（尿液排出体外时一般为中性）。非营利组织Rich Earth Institute合作研发一套适用于楼宇的处理系统，通过管道将液态柠檬酸输送到粪尿分离马桶和免冲洗小便池中，然后通过反复冷冻和解冻将尿液浓缩，设法将尿液脱水，形成固态尿素与其它营养物质的混合物。该团队的最新版设计是一款装有内置干燥机的马桶，目前正在接受评估。
还有其它方法以尿液中的不同营养物质为重点，这些方法很容易与现有的化肥和工业化学品供应链相整合。
例如，通过添加镁从经过水解反应的尿液中提取磷已经是一种相当成熟的做法，可以析出一种名叫鸟粪石的化肥，现在可以以氨或磷酸盐的形式、选择性地提取出尿液中的氮和磷。接着再用一种名叫再生剂的液体冲洗这些颗粒，使营养物质溶解在再生剂中，颗粒则可恢复如初、可以再次使用。这种方法科技含量并不高，但其中使用的商业化再生剂会对环境造成破坏，因此研究团队正在尝试制备成本更低、更加环保的再生剂。
还有一些研究人员试图用尿液和微生物燃料电池来发电。此外，南非开普敦的一支团队研发了一种颠覆传统的制砖方法，将尿液与砂子和可产生尿素酶的细菌在模具中结合，无需烧制便可钙化形成各种形状的建筑砖块。欧空局已经瞄上了宇航员的尿液，认为这种“资源”或可用来在月球上建造栖息地。
研究人员在尝试各种将尿液转化为商品的方法时，都深知前方充满了艰难险阻。毕竟这涉及到多个传统行业，化肥与食品企业、农民、马桶制造商和监管部门都不大愿意改变自己做事的方式。
例如，加州大学伯克利分校以科研和宣教为目的，试图安装一台劳芬save！马桶，没想到这一装就是将近三年，总花费高达5万多美元，其中包括建筑改造、施工和报规费用，而且安装工作至今还没有完成。此外，相关规范和法律法规的缺乏也给设施管理带来了一定麻烦。
来自消费者的阻力也是相关行业不愿做出变革的原因之一。但2021年在16个国家开展的一项调查显示，在法国、中国和乌干达，将近80%的受访者都表示愿意食用以尿液为肥料的食物。
要想在大城市中实现粪尿分离，最实际、性价比最高的做法应当是在翻新或新建大楼中安装局部离网系统，并进行定期维护和粪便收集。
考虑到粪尿分离技术的各种优势，这类技术的大规模生产和自动化应当很快便可实现。粪尿分离技术正是我们需要的技术，也是近期唯一能解决生活污水产生的营养物污染问题的技术。但人们要有勇气迈出这一步才行。
相关文章
